close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

(ученица 11 «Б» класса Варданян Анжела).

код для вставкиСкачать
В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический
ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает
магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока.
Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. "Превратить магнетизм в
электричество", – записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво
ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил
триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой
Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо
из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много
витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки
замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная
настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через
вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При
включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и
успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что
стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток
прерывался. М. Фарадей установил, что "превращать магнетизм в электричество"
можно и с помощью обыкновенного магнита. Американский физик Джозеф Генри
тоже успешно проводил опыты по индукции токов. Но пока Д. Генри собирался
опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М.
Фарадея об открытии им электромагнитной индукции. То, что два учёных
независимо друг от друга пришли к одному и тому же результату, не удивительно.
М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый
источник электричества.
Фарадей (Faraday) Майкл (22 сентября 1791, Лондон - 25 августа 1867, там
же), английский физик, основоположник современной концепции поля в
электродинамике, автор ряда фундаментальных открытий, в том числе
закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления
вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, один из первых
исследователей воздействия магнитного поля на среды.
Детство и юность
Фарадей родился в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат
Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах
поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая,
хотя и необразованная женщина, дожила до времени, когда ее сын
добился успехов и признания, и по праву гордилась им.
Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю
школу, и тринадцати лет он поступил учеником к владельцу книжной лавки
и переплетной мастерской, где ему предстояло пробыть 10 лет. Все это
время Фарадей упорно занимался самообразованием - прочитал всю
доступную ему литературу по физике и химии, повторял в устроенной им
домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, посещал по вечерам и
воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по
шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у
Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем,
чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения; он также
старался овладеть приемами ораторского искусства.
Начало работы в Королевском институте
Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, заметив интерес
Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Г. Дэви в Королевском
институте. Фарадей тщательно записал и переплел четыре лекции и вместе с письмом послал их лектору.
Этот "смелый и наивный шаг", по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. В 1813
Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место ассистента в Королевский
институт, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы. Это
путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий,
познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые в свою очередь
обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.
Первые самостоятельные исследования. Научные публикации
После возвращения в 1815 в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой все
большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс
лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая
печатная работа.
В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и
лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные
научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году
он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.
В период до 1821 Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его
экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в
1820 Х. Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между
электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: "Превратить
магнетизм в электричество". Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области
химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.
В 1824 Фарадей был избран членом
Королевского общества, несмотря на
активное противодействие Дэви,
отношения с которым стали у Фарадея
к тому времени довольно сложными,
хотя Дэви любил повторять, что из
всех его открытий самым
значительным было "открытие
Фарадея". Последний также воздавал
должное Дэви, называя его "великим
человеком".
Спустя год после избрания в
Королевское общество Фарадея
назначают директором лаборатории
Королевского института, а в 1827 он
получает в этом институте
профессорскую кафедру.
Закон электромагнитной индукции. Электролиз
В 1830, несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей решительно
отказывается от всех побочных занятий, выполнения любых научно-технических
исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком
посвятить себя научным изысканиям. Вскоре он добивается блестящего успеха: 29
августа 1831 открывает явление электромагнитной индукции - явление порождения
электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженнейшей
работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление,
которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей
современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался прикладными
возможностями своих открытий, он стремился к главному - исследованию законов
Природы. Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею известность.
Но он по-прежнему был очень стеснен в средствах, так что его друзья были
вынуждены хлопотать о предоставлении ему пожизненной правительственной
пенсии. Эти хлопоты увенчались успехом лишь в 1835. Когда же у Фарадея
возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к
подачке ученому, он направил министру письмо, в котором с достоинством
отказался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.
В 1833-34 Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы
кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти
законы (Фарадея законы) впоследствии сыграли важную роль в становлении
представлений о дискретных носителях электрического заряда. До конца 1830-х гг.
Фарадей выполнил обширные исследования электрических явлений в
диэлектриках.
Постоянное огромное умственное напряжение подорвало здоровье
Фарадея и вынудило его в 1840 прервать на пять лет научную работу.
Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1848 открыл явление вращения
плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных
веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (Фарадея
эффект). По-видимому, сам Фарадей (взволнованно написавший, что он
"намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию") придавал этому
открытию большое значение. И действительно, оно явилось первым
указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом.
Убежденность в глубокой взаимосвязи электрических, магнитных,
оптических и других физических и химических явлений стала основой
всего научного миропонимания Фарадея.
Другие экспериментальные работы Фарадея этого времени посвящены
исследованиям магнитных свойств различных сред. В частности, в 1845
им были открыты явления диамагнетизма и парамагнетизма.
В 1855 болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он
значительно ослабел, стал катастрофически терять память. Ему
приходилось записывать в лабораторный журнал все, вплоть до того,
куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и
что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был
отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей; последнее, от
чего он отказался, были лекции для детей.
Закон электромагнитной индукции
Как отмечалось, вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле.
Английский физик М. Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями
существует тесная взаимосвязь: раз вокруг проводника с током возникает магнитное поле, то должно
иметь место и обратное явление – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под
действием магнитного поля.
В 1831 г. М. Фарадей экспериментально обнаружил, что при изменении магнитного потока, пронизывающего
замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией
(«индукция» означает «наведение»).
В одном из первых опытов на немагнитном стержне помещались две изолированные друг от друга медные
спирали (рис. 4.1). Концы одной из них (1) через ключ К присоединялись к гальванической батарее Б, концы
другой (2) – к гальванометру Г, регистрирующему слабые токи. При неизменной силе тока I1 в первой спирали
гальванометр показывал I2=0. Однако при замыкании и размыкании ключа К стрелка гальванометра слегка
отклонялась, а затем быстро возвращалась в исходное положение. Значит, в спирали 2 возникал
кратковременный электрический ток, который был назван индукционным. Причиной возникновения
индукционного тока I2 является изменение магнитного поля, пронизывающего спираль 2. Направления
индукционного тока при замыкании и размыкании ключа были противоположными.
Явление электромагнитной индукции можно наблюдать и тогда, когда в магнитном поле, образовавшемся между полюсами постоянного
магнита, перемещается замкнутый проводник. Если этот проводник находится в покое, то в нем никакого тока не будет. Но стоит только
сдвинуть его с места и перемещать так, чтобы он пересекал силовые линии магнитного поля, как тотчас же в проводнике появится
электродвижущая сила и, как следствие – индукционный ток. В данном случае индукционный ток возникает в проводнике за счет той
механической энергии, которая затрачивается при перемещении проводника в магнитном поле. При этом механическая энергия преобразуется
в энергию электрическую.
После многочисленных опытов Фарадей установил, что в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает лишь в тех случаях,
когда он находится в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение во времени потока индукции
магнитного поля. Обобщая результаты экспериментов, Фарадей пришел к количественному описанию явления электромагнитной индукции. Он
показал, что при изменении сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение тока
указывает на наличие в цепи электродвижущей силы. Значение ЭДС электромагнитной индукции
определяется скоростью изменения
магнитного потока:
(4.1)
где k – коэффициент пропорциональности.
Рассмотрим, как возникает ЭДС индукции, а, следовательно, индукционный ток. Пусть проводник без тока
длиной l движется в магнитном поле с индукцией
со скоростью
(рис. 4.2). При движении проводника
его свободные электроны также будут двигаться вправо, т.е. возникает конвекционный ток. На каждый
свободный электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца
. Под ее действием электроны
накапливаются в нижней части проводника; соответственно положительные ионы будут накапливаться в
верхней части и по концам проводника возникает разность потенциалов
. Образуется электрическое
поле напряженностью
, препятствующее дальнейшему перемещению электронов. Это перемещение
прекратится, когда
, т.е.
, или
. С другой стороны,
, т.е.
.
Если проводник замкнуть, то в цепи потечет электрический ток. Таким образом, в проводнике
индуцируется ЭДС
В рассматриваемом случае
(4.2)
, поэтому
.
Профессор Петербургского университета Э.Х. Ленц исследовал связь между направлением
индукционного тока и характером вызвавшего его изменения магнитного потока. В 1833 г. он
установил закон, известный как правило Ленца: при всяком изменении магнитного потока
сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает индукционный ток такого
направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего
магнитного потока.
Объединив закон Фарадея и правило Ленца, получим основной закон электротехники –
закон электромагнитной индукции:
(4.3)
т.е. ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна и
противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность,
ограниченную этим контуром.
Направление ЭДС индукции, а следовательно, и индукционного тока в проводнике, который
перемещается в магнитном поле, можно также определить, пользуясь правилом правой руки. Это
правило можно сформулировать следующим образом: если ладонь правой руки расположить так,
чтобы силовые линии магнитного поля были ей перпендикулярны и входили в нее, а отогнутый
большой палец указывал направление перемещения проводника, то остальные вытянутые пальцы
укажут направление индукционного тока в проводнике.
Как показано выше, возбуждение ЭДС индукции при движении контура в постоянном магнитном поле
объясняется действием силы Лоренца, возникающей при перемещении проводника. Вместе с тем
согласно закону Фарадея, возникновение индукционного тока возможно и в случае неподвижного контура,
находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не
действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение ЭДС электромагнитной
индукции.
Дж. Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое
переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и
является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. В этом случае проводник является
лишь индикатором индуцированного (вихревого) электрического поля: поле приводит в движение
свободные электроны проводника и тем самым обнаруживает себя.
Таким образом, сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в
появлении индукционного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля, являющегося
носителем энергии. Это является одним из фундаментальных положений электродинамики.
В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является
непотенциальным, так как работа, совершаемая в вихревом электрическом поле при перемещении
единичного положительного заряда по замкнутому контуру L, равна не нулю, а ЭДС электромагнитной
индукции
(4.4)
Где
- вектор напряженности индуцированного электрического поля. Так как вихревое
электрическое поле объективно существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для
ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. На использовании этого
принципа основано действие ускорителей электронов – бетатронов.
Практическое применение электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции используется, прежде всего, для преобразования
механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели применяются
генераторы переменного тока (индукционные генераторы).
Простейшим генератором переменного тока является проволочная рамка, вращающаяся
равномерно с угловой скоростью w=const в однородном магнитном поле с индукцией В
(рис. 4.5). Поток магнитной индукции, пронизывающий рамку площадью S, равен
При равномерном вращении рамки угол поворота
, где - частота вращения. Тогда
По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в рамке при ее вращении,
Если к зажимам рамки с помощью щеточно-контактного аппарата подключить нагрузку (потребителя
электроэнергии), то через нее потечет переменный ток.
Для промышленного производства электроэнергии на электрических станциях используются синхронные
генераторы (турбогенераторы, если станция тепловая или атомная, и гидрогенераторы, если станция
гидравлическая). Неподвижная часть синхронного генератора называется статором, а вращающаяся –
ротором (рис. 4.6). Ротор генератора имеет обмотку постоянного тока (обмотку возбуждения) и является
мощным электромагнитом. Постоянный ток, подаваемый на обмотку возбуждения через щеточно-контактный
аппарат, намагничивает ротор, и при этом образуется электромагнит с северным и южным полюсами.
На статоре генератора расположены три обмотки переменного тока, которые смещены одна относительно
другой на 1200 и соединены между собой по определенной схеме включения.
При вращении возбужденного ротора с помощью паровой или гидравлической турбины его полюсы
проходят под обмотками статора, и в них индуцируется изменяющаяся по гармоническому закону
электродвижущая сила. Далее генератор по определенной схеме электрической сети соединяется с узлами
потребления электроэнергии.
Если передавать электроэнергию от генераторов станций к потребителям по линиям электропередачи
непосредственно (на генераторном напряжении, которое относительно невелико), то в сети будут происходить
большие потери энергии и напряжения (обратите внимание на соотношения
).
Следовательно, для экономичной транспортировки электроэнергии необходимо уменьшить силу тока. Но так как передаваемая
мощность при этом остается неизменной, напряжение должно увеличиться во столько же раз, во сколько раз уменьшается сила
тока.
У потребителя электроэнергии, в свою очередь, напряжение необходимо понизить до требуемого уровня. Электрические
аппараты, в которых напряжение увеличивается или уменьшается в заданное количество раз, называются трансформаторами.
Работа трансформатора также основана на законе электромагнитной индукции.
Рассмотрим принцип работы двухобмоточного
трансформатора (рис. 4.7). При прохождении переменного
тока по первичной обмотке вокруг нее возникает переменное
магнитное поле с индукцией В, поток которого также
переменный
. Сердечник трансформатора служит для направления
магнитного потока (магнитное сопротивление воздуха
велико). Переменный магнитный поток, замыкающийся по
сердечнику, индуцирует в каждой из обмоток переменную
ЭДС:
Тогда
У мощных трансформаторов сопротивления катушек очень малы, поэтому
напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток приблизительно равны ЭДС:
где k – коэффициент трансформации. При k1 (
понижающим.
) трансформатор является
При подключении ко вторичной обмотке трансформатора нагрузки, в ней потечет ток . При увеличении
потребления электроэнергии по закону сохранения энергии должна увеличиться энергия, отдаваемая
генераторами станции, т.е
откуда
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в k раз,
удается во столько же раз уменьшить силу тока в цепи (при этом джоулевы потери
уменьшаются в k2 раз).
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
42
Размер файла
4 812 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа